高增益频分随机辐射装置及其低副瓣综合波束扫描方法

技术领域

本发明涉及雷达探测领域，特别涉及一种高增益频分随机辐射装置及其低副瓣综合波束扫描方法。

背景技术

为了适应军事以及航空技术的高速发展，现代雷达需具备大范围、远距离以及高精度等探测性能，波束扫描技术对于增大雷达探测范围具有关键作用。现有的波束扫描技术包括两种：基于相控阵天线的电扫描方法和基于漏波天线的频率扫描方法。

基于相控阵天线的电扫描方法主要通过移相器对每个阵元的馈电相位进行控制，从而实现对主波束角度的实时调控，达到波束扫描的目的。相控阵天线一般借助电子电路控制馈电相位，相位变化速度可达到毫秒量级，这使得其波束扫描速度迅速。相控阵天线凭借其较高的相干增益和快速波束扫描能力，在军事雷达中得到了广泛的应用。

现有技术至少存在以下问题：

传统相控阵雷达凭借其较高的相干增益和快速波束扫描能力在军事雷达中得到了广泛的应用。然而，相控阵存在通道数量多、移相器数量庞大、系统成本高、扫描效率低等问题。漏波天线的扫描探测能力受限于天线口径和带宽，且扫描角度与带宽互相制约，扫描角度受限且带宽要求高，同时低副瓣设计困难。因此，研制同时具备大角度扫描能力和高精度探测能力的单通道雷达装置对雷达领域的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高增益频分随机辐射装置及其低副瓣综合波束扫描方法，通过该发明可提高探测效率，降低扫描雷达系统复杂度，并能有效抑制干扰。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种高增益频分随机辐射装置，包括：宽带收发模块和强色散介质加载的一体化超构腔体天线；宽带收发模块与强色散介质加载的一体化超构腔体天线通过物理接口相连；

所述宽带收发模块将高增益频分随机辐射装置调节至发射模式，通过控制发射信号配置，依次发射不同载波频率的线性调频信号，其中线性调频信号的带宽、脉冲持续时间以及脉冲周期由强色散介质加载的一体化超构腔体天线的电磁特性决定；强色散介质加载的一体化超构腔体天线形成在不同频点下的探测模式。

作为本发明进一步改进，所述的宽带收发模块包括宽带信号处理单元、发射单元与接收单元；

宽带信号处理单元，用于产生所需的基带信号并把信号转换到指定的频段，对回波信号进行下变频及模数转换并完成目标特征提取；

发射单元，用于将产生的发射信号进行相位调制与放大，并传送给强色散介质加载的一体化超构腔体天线中的馈电端口；

接收单元，通过收发共用强色散介质加载的一体化超构腔体天线或者附加接收天线接收目标反射回波，并将信号传送给宽带信号处理单元。

作为本发明进一步改进，所述的强色散介质加载的一体化超构腔体天线包括馈电结构、随机调制结构与辐射阵列结构；

馈电结构，用于给随机调制结构提供功率在频率维度均匀分布的激励电场，并保证强色散介质加载的一体化超构腔体天线在工作频带内良好的阻抗匹配；

随机调制结构，用于产生分布在离散频率点上的大量低相关性激励信号；

辐射阵列结构，用于将随机激励信号高效高增益的辐射到空间中，形成低相关性探测模式，并对辐射信号能量的扩散角度进行约束。

作为本发明进一步改进，所述的馈电结构包括单馈口驻波结构与耦合缝隙阵列；

单馈口驻波结构，将馈入的电磁信号均衡传送给耦合缝隙阵列中的每个缝隙单元，保证强色散介质加载的一体化超构腔体天线良好的阻抗匹配，单馈口驻波结构的尾部由金属壁构成短路，以调节强色散介质加载的一体化超构腔体天线的总体匹配特性；

耦合缝隙阵列，分布在单馈口驻波结构与随机调制结构之间，将电磁信号均匀的传送给所述的随机调制结构。

作为本发明进一步改进，所述的随机调制结构包括腔体结构与强色散介质加载阵列；

腔体结构，位于耦合缝隙阵列能量输出方向，通过所述的馈电结构进行馈电，并在腔体内部产生低相关性的强色散激励信号；

强色散介质加载阵列，分布在腔体结构两侧，由不同结构的介质或者结构功能材料单元随机排布组成，利用随机调制介质阵列对腔体内部电磁场进行强色散调制，以增强辐射阵列结构激励信号的低相关性。

作为本发明进一步改进，所述的辐射阵列结构，由非均匀排布在腔体结构上表面的矩形辐射缝隙构成，用于将腔体内部的激励信号辐射到自由空间中，在不同频点上形成低相关性的探测模式；通过辐射阵列结构将随机辐射能量约束在一定的角度内，通过矩形槽加载方法对随机辐射能量的约束角度进行调整。

第二方面，本发明提供一种低副瓣综合波束扫描方法，基于所述的高增益频分随机辐射装置，所述低副瓣综合波束扫描方法包括以下步骤：

步骤A，在发射模式下，测量或者仿真获取强色散介质加载的一体化超构腔体天线在不同频点下的探测模式；在接收模式下，利用宽带收发模块采集到目标的回波信号数据；

步骤B，回波信号数据经过由探测模式确定的方向匹配滤波器，生成综合波束方向图；

步骤C，在方向匹配滤波器后附加权重滤波器，得到低副瓣综合波束方向图；

步骤D，针对不同角度上的目标，综合波束方向图的主瓣方向会随目标方位进行改变，形成低副瓣综合波束扫描效果。

作为本发明进一步改进，步骤A中，强色散介质加载的一体化超构腔体天线所产生的探测模式是低相关的且数量不少于10个。

作为本发明进一步改进，步骤B中，方向匹配滤波器由步骤A中的探测模式确定。

作为本发明进一步改进，步骤C中，需要采用非线性优化算法对权重滤波器的参数进行优化设计，优化目标是使综合方向图的峰值旁瓣电平达到最小值；

步骤D中，每个方向上均需一个与之相匹配的权重滤波器。

相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

本发明的装置在发射端通过单个通道即可实现关联成像所需的探测模式，通过接收数据后处理的方式，可同时在不同角度上实现综合波束扫描效果。相比于传统的扫描雷达系统，本发明可以将探测效率提高一个数量级以上，探测质量、探测模式自由度以及系统的抗干扰能力都得到了大幅的提升。同时，基于该发明装置的非相干性探测数据为实现超分辨率计算成像提供了基础。

附图说明

图1为本发明所列举实施例的高增益频分随机辐射装置示意图；

图2为本发明所列举实施例的强色散介质加载的一体化超构腔体天线模型示意图；

图3为本发明实施例所提供低副瓣综合波束扫描方法的流程图；

图4为本发明所列举实施例的初始综合波束扫描方向图；

图5为本发明所列举实施例的低副瓣综合波束扫描方向图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

术语解释：

漏波天线是一种行波天线，其辐射原理是电磁波沿行波结构传播时通过开口缝隙不断向外辐射电磁波。与相控阵天线中包含多个独立的天线单元不同，漏波天线是一种单通道天线。由于工作频率与开口缝隙辐射相位之间存在严格的线性关系，可通过改变频率来精准控制相邻开口之间的辐射相位差，进而实现对辐射场主波束方向的有效控制。基于漏波天线的频率扫描方法主要通过改变频率来控制波束指向，具有宽带特点。

如图1所示，本发明实施例提供一种高增益频分随机辐射装置，包括：宽带收发模块1和强色散介质加载的一体化超构腔体天线2，宽带收发模块1与强色散介质加载的一体化超构腔体天线2通过物理接口相连。

所述宽带收发模块1将高增益频分随机辐射装置调节至发射模式，通过控制发射信号配置，依次发射不同载波频率的线性调频信号，其中线性调频信号的带宽、脉冲持续时间以及脉冲周期由强色散介质加载的一体化超构腔体天线2的电磁特性决定；强色散介质加载的一体化超构腔体天线2形成在不同频点下的探测模式。

通过物理连接的宽带收发模块和强色散介质加载的一体化超构腔体天线，可同时探测多个目标，有效抑制随机噪声和干扰，对雷达探测性能具有较大的提升。相比于传统的扫描雷达系统，本方法可将探测效率提高一个数量级以上，探测质量，探测模式自由度以及系统的抗干扰能力都得到了大幅的提升。同时，基于该发明装置的非相干性探测数据为实现超分辨率计算成像提供了基础。

作为示例，宽带收发模块1包括宽带信号处理单元11、发射单元12与接收单元13。

其中，宽带信号处理单元11用于产生所需的基带信号并把信号转换到指定的频段，对回波信号进行下变频及模数转换并完成目标特征提取。

具体地，用于产生步进模式的线性调频脉冲信号并将信号转换到指定的频段，配置参数包括跳频起点、跳频间隔、跳频点数、线性调频信号带宽、脉冲持续时间以及脉冲重复周期等；此外，宽带信号处理单元11还用于将目标回波信号的模拟信号转换为便于处理的数字信号，并将回波信号进行解线性调频，得到每个发射脉冲对应的脉压数据，结合雷达信号处理算法完成目标特征提取。

发射单元12用于将产生的发射信号进行相位调制与放大，并传送给强色散介质加载的一体化超构腔体天线2中的馈电端口。

接收单元13通过收发共用强色散介质加载的一体化超构腔体天线或者附加接收天线接收目标回波信号，并将信号传送给宽带信号处理单元11。

作为示例，强色散介质加载的一体化超构腔体天线2包括馈电结构21、随机调制结构22和辐射阵列结构23。本实施例中，强色散介质加载的一体化超构腔体天线的具体模型如图2所示；强色散介质加载的一体化超构腔体天线2通过单通道激励在不同频点上产生大量低相关探测模式。

其中，馈电结构21用于给随机调制结构22提供功率在频率维度均匀分布的激励电场，并保证强色散介质加载的一体化超构腔体天线2在工作频带内良好的阻抗匹配，其包括单馈口驻波结构211和耦合缝隙阵列212。

单馈口驻波结构211将馈入的电磁信号均衡传送给耦合缝隙阵列212中的每个缝隙单元，保证强色散介质加载的一体化超构腔体天线2良好的阻抗匹配，单馈口驻波结构211的尾部由金属壁构成短路，以调节强色散介质加载的一体化超构腔体天线2的总体匹配特性。

耦合缝隙阵列212分布在单馈口驻波结构211与随机调制结构22之间，将电磁信号均匀的传送给所述的随机调制结构22。

随机调制结构22，用于产生分布在离散频率点上的大量低相关性激励信号，包括腔体结构221与强色散介质加载阵列222。

腔体结构221位于耦合缝隙阵列212能量输出方向，通过所述的馈电结构21进行馈电，并在腔体内部产生低相关性的强色散激励信号。

强色散介质加载阵列222分布在腔体结构两侧，由不同结构的介质或者结构功能材料单元随机排布组成，利用随机调制介质阵列对腔体内部电磁场进行强色散调制，以增强辐射阵列结构23激励信号的低相关性。

辐射阵列结构23用于将随机激励信号高效高增益的辐射到空间中，形成低相关性探测模式，并对辐射信号能量的扩散角度进行约束。

可选地，辐射阵列结构23由非均匀排布在腔体结构上表面的矩形辐射缝隙构成，将腔体内部的激励信号辐射到自由空间中，在不同频点上形成低相关性的探测模式(带幅度和相位的方向图)。通过该结构将随机辐射能量约束在一定的角度内，通过矩形槽加载方法对随机辐射能量的约束角度进行调整。

本发明第二个目的是提供了一种基于上述高增益频分随机辐射装置的低副瓣综合波束扫描方法，包括以下步骤：

步骤A，在发射模式下，测量或者仿真获取强色散介质加载的一体化超构腔体天线2在不同频点下的探测模式；在接收模式下，利用接收单元采集到目标的回波信号数据；

步骤B，回波信号数据经过由探测模式确定的方向匹配滤波器，生成综合波束方向图；

步骤C，在方向匹配滤波器后附加权重滤波器，得到低副瓣综合波束方向图；

步骤D，针对不同角度上的目标，综合波束方向图的主瓣方向会随目标方位进行改变，形成低副瓣综合波束扫描效果。

作为可选方案，步骤A中，强色散介质加载的一体化超构腔体天线所产生的探测模式是低相关的且数量不少于10个。

作为可选方案，步骤B中，方向匹配滤波器由步骤A中的探测模式确定。

作为可选方案，步骤C中，需要采用非线性优化算法对权重滤波器的参数进行优化设计，优化目标是使综合方向图的峰值旁瓣电平达到最小值。

作为可选方案，步骤D中，每个方向上均需一个与之相匹配的权重滤波器；该方法可以实现同时高精度多目标方位角估计和低副瓣波束扫描。

本低副瓣综合波束扫描方法的实现过程如下：通过步骤A获取强色散介质加载的一体化超构腔体天线在不同频点下的探测模式和目标回波信号数据；通过步骤B构建基于探测模式的方向匹配滤波器，得到综合波束方向图；通过步骤C优化权重滤波器参数，使综合波束方向图的峰值旁瓣电平达到最小值；通过步骤D改变综合波束方向图的主瓣方向，实现低副瓣综合波束扫描效果。

进一步，利用高增益频分随机辐射装置在不同频点下产生低相关的探测模式，增大回波信号中所包含的目标信息量，提高探测精度与效率。

进一步，通过采用非线性优化算法，低副瓣综合波束扫描使该发明装置具有高抗干扰特性。

下面结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述，图3为本发明实施例所提供的低副瓣综合波束扫描方法流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤201，利用宽带收发模块1将高增益频分随机辐射装置调节至发射模式，通过控制发射信号配置，依次发射不同载波频率的线性调频信号，其中线性调频信号的带宽、脉冲持续时间以及脉冲周期由强色散介质加载的一体化超构腔体天线2的电磁特性决定。在发射模式下，利用探头天线测量或者仿真方法获取强色散介质加载的一体化超构腔体天线2在不同频点下的探测模式。

其中，为了保证超分辨成像效果，强色散介质加载的一体化超构腔体天线所产生的探测模式需满足低相关特性和数量要求。

步骤202，利用宽带收发模块1将高增益频分随机辐射装置或者附加接收天线调节至接收模式，通过接收单元13采集到目标反射的回波信号数据。将原始回波信号经过下变频和解线性调频等预处理操作后，得到每个脉冲发射信号对应的脉压接收数据。

步骤203，根据步骤201中所获取的探测模式，确定方向匹配滤波器。将步骤202中接收到的脉压回波数据通过方向匹配滤波器，输出初始综合波束方向图。在这一步骤中，初始综合波束方向图的性能主要取决于步骤201中探测模式的测量精度、探测模式数量以及探测模式之间的相关特性。通过合理设计强色散介质加载的一体化超构腔体天线结构，探测模式数量和探测模式之间的相关特性可以得到保证。

步骤204，在方向匹配滤波器后增加经优化的权重滤波器，得到低副瓣综合波束方向图，从而提升雷达干扰能力。利用非线性优化方法对权重滤波器的参数进行优化设计，使得综合波束方向图的旁瓣电平达到最低值。

步骤205，针对不同角度上的目标，综合波束方向图的主瓣方向会随目标方位进行改变，从而形成低副瓣综合波束扫描效果。当空间中同时存在多个目标时，每个方向上均需一个与之相匹配的权重滤波器，达到高精度同时探测多目标方位角的目的。

该低副瓣综合波束扫描方法可同时探测多个目标，有效抑制随机噪声和干扰，对雷达探测性能具有较大的提升。相比于传统的扫描雷达系统，本方法可将探测效率提高一个数量级以上，探测质量，探测模式自由度以及系统的抗干扰能力都得到了大幅的提升。同时，基于该发明装置的非相干性探测数据为实现超分辨率计算成像提供了基础。

实施例

在本实施例中，强色散介质加载的一体化超构腔体天线1的整体尺寸为1.5cm×30cm，单发射通道，单接收通道，目标径向距离为10千米，发射信号的频带为32～36GHz，频点间隔为30MHz，频点数目为133；初始综合波束扫描方向图如图4所示；采用凸优化算法，低副瓣综合波束扫描方向图如图5所示，副瓣电平下降至-20dB以下。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。